Tegolo - trave: studio sperimentalee numerico del comportamento di angolari di collegamento

Articolo tratto da: WORKSHOP - Tecniche innovative per il miglioramento sismico di edifici prefabbricati – ACI Italy Chapter

ABSTRACT: La sequenza sismica che ha colpito l'Emilia tra maggio e giugno del 2012 ha messo in luce le criticità tipiche delle strutture prefabbricate costruite in assenza di criteri antisismici. Elemento di grande vulnerabilità è rappresentato dalle mancanza di connessioni tra gli elementi prefabbricati, limitando il vincolo ad appoggi di dimensioni ridotte facendo affidamento unicamente sull'attrito. In questo studio, vengono presentati i risultati delle prove sperimentali svolte su un sistema sviluppato per il collegamento tra travi e tegoli di copertura, nonché i risultati di analisi numeriche volte a cogliere il comportamento meccanico di questi elementi. Il confronto tra risultati numerici e sperimentali ha permesso di studiare la relazione intercorrente tra i parametri geometrici dell'elemento di collegamento ed il suo comportamento meccanico globale e consentito di individuare una procedura numerica semplificata per la stima del legame Forza-Spostamento di sistemi di collegamento al variare dei parametri geometrici.

1 INTRODUZIONE

Lo sciame sismico che ha colpito larga parte dell'Emilia Romagna tra maggio e giugno del 2012 ha messo in luce criticità tipiche delle strutture prefabbricate non progettate con criteri antisismici, siano esse sede non solo di attività produttive, ma anche adibite ad altri usi, quali ad esempio scuole, palestre, centri commerciali.

Queste carenze strutturali sono state tipicamente riscontrate negli edifici prefabbricati costruiti prima dell'entrata in vigore dell'attuale normativa per la progettazione antisismica. Come è noto, infatti, prima di tale data le zone interessate dal sisma dell’Emilia non erano soggette a prescrizioni antisismiche. Elemento di grande vulnerabilità per questa tipologia strutturale è rappresentato dalla mancanza di connessioni efficaci tra gli elementi prefabbricati. Essendo infatti la costruzione dimensionata unicamente con riferimento ai carichi verticali e all'azione del vento, tipicamente mancano collegamenti meccanici ma si fa ricorso ad appoggi, spesso di dimensioni ridotte, con affidamento alla sola forza d'attrito.

La mancanza di collegamento tra travi e tegoli di copertura, in particolare, può portare alla perdita di appoggio dei tegoli stessi, a causa di spostamenti differenziali tra telai isostatici adiacenti sui quali appoggiano gli elementi di copertura.

Per la messa in sicurezza di queste strutture eliminando questa specifica carenza, è stata studiata una soluzione progettuale (riportata nelle Linee di Indirizzo per interventi locali e globali su edifici industriali monopiano non progettati con criteri antisismici, redatte da apposito gruppo di studio Reluis e in Bacci et al., 2012) ispirata ai seguenti principi:

• la connessione tra trave e tegolo deve essere assicurata senza apportare modifiche allo schema statico della struttura e senza incrementarne la rigidezza;
  
• la connessione deve presentare una certa deformabilità, al fine di evitare l’instaurarsi di picchi di sollecitazione che potrebbero essere non sopportabili dai collegamenti stessi e dagli ancoraggi di questi ultimi alle travi o ai tegoli di copertura.
  

L’importanza di una corretta progettazione delle connessioni tra gli elementi prefabbricati è stata confermata in alcuni studi recenti (es. Safecast, 2012, Belletti et al., 2013, 2014) ispirati alle vulnerabilità che il recente sisma dell’Emilia ha evidenziato (Savoia et al., 2012; Minghini et al., 2015).

Per rispondere ai suddetti requisiti, il collegamento studiato in questa memoria è realizzato adottando un angolare metallico di spessore costante e piegato a freddo, di opportune forma e dimensioni, che viene collegato alla trave ed all’elemento di copertura mediante ancoranti chimici. Il sistema di collegamento è stato oggetto di prove sperimentali e numeriche.

Il confronto tra i risultati ottenuti seguendo questi due approcci ha permesso in primo luogo di validare il modello numerico agli elementi finiti realizzato e successivamente di valutare come variazioni delle caratteristiche geometriche dell'elemento influenzino il suo comportamento meccanico globale.

Grazie a questo confronto è stato quindi possibile individuare una procedura numerica semplificata, e quindi speditiva, basata sull'utilizzo di relazioni empiriche per la stima del legame Forza-Spostamento di angolari di geometria generica e quindi utilizzabili in fase di dimensionamento degli stessi.

2 PROVE SPERIMENTALI SUGLI ANGOLARI DI COLLEGAMENTO

Nella presente memoria, si è studiato il collegamento tra travi e tegoli prefabbricati di copertura realizzato tramite angolari metallici, costituiti cioè da una lamiera di spessore costante, piegata a freddo, di dimensioni e posizionamento dei fori opportuni per assicurare certe prestazioni richieste in termini di resistenza a duttilità. Un esempio di collegamento è indicato in Figura 1.

A fronte di forti sollecitazioni, l’angolare si plasticizza in corrispondenza di una valore prefissato di forza, con un conseguente abbattimento della sua rigidezza, evitando così di sollecitare eccessivamente gli ancoraggi dello stesso agli elementi di calcestruzzo. Allo stesso tempo, esso consente di evitare la caduta del tegolo, avendo un limite massimo di deformazione che corrisponde al suo completo raddrizzamento. I parametri fondamentali per il dimensionamento del dispositivo sono pertanto: le proprietà meccaniche dell’acciaio utilizzato; l’area trasversale dell’angolare; la distanza fra l’asse dei fori e la piegatura dell’angolare, dai quali dipendono rigidezza, limite di snervamento e allungamento massimo dell’angolare stesso. Il comportamento degli angolari è stato studiato mediante una serie di prove sperimentali su alcuni angolari con differenti geometrie, due delle quali sono riportate a titolo d'esempio in Figura 1.

Attraverso le prove sperimentali è stato studiato il meccanismo di deformazione e successiva plasticizzazione degli angolari fino a raggiungere il sostanziale raddrizzamento degli stessi.

Gli angolari sono stati testati in configurazione simmetrica (Figura 2): il lato corto della coppia di angolari è stato vincolato ad una soletta in calcestruzzo tramite barre filettate fissate con ancoraggio chimico, mentre il secondo lato, più lungo, è stato vincolato mediante barre filettate passanti ad un prisma, sempre in calcestruzzo, inserito all'interno di una cravatta metallica in grado di traslare verticalmente.

Il carico è stato trasferito agli angolari attraverso la cravatta metallica, a sua volta collegata ad un martinetto idraulico mediante una barra filettata. In questa configurazione di prova, il prisma di calcestruzzo simula l'anima del tegolo mentre la soletta di base simula la trave. Sono state condotte quindi prove di trazione, durante le quali sono stati misurati il carico applicato e le corrispondenti deformazioni degli angolari tramite trasduttori di spostamento posizionati all’altezza dei bulloni di fissaggio al prisma mobile (che rappresenta il tegolo), e alla base in prossimità dell'asse dei bulloni di ancoraggio alla piastra di base (che rappresenta la trave).

Un tipico diagramma forza – spostamento è riportato in Figura 4. Si osserva un comportamento iniziale particolarmente rigido quando l’angolare ha un comportamento elastico lineare, seguito da un abbattimento di rigidezza all’atto dello snervamento del collegamento con ingresso in un regime di grandi spostamenti e deformazioni, ed infine una tendenza graduale all’incrudimento quando l’angolare tende a raddrizzarsi.

3 CONFRONTO TRA RISULTATI SPERIMENTALI E SIMULAZIONE NUMERICA

Parallelamente allo svolgimento delle prove di laboratorio, è stato realizzato un modello numerico agli elementi finiti di uno degli angolari testati. È stato adottato il software MSC Marc2010 (programma diffuso in ambito meccanico), e l'angolare è stato modellato con elementi tipo shell di dimensione compresa tra 2 e 5 mm. Le barre filettate che vincolano l'angolare alla soletta e al prisma di calcestruzzo sono state modellate come link di corpo rigido. Per la modellazione costitutiva del materiale (acciaio S235), è stata utilizzata una formulazione elastoplastica con incrudimento, le cui proprietà meccaniche sono state ricavate tramite apposite prove di trazione su campioni testati in laboratorio. Il vincolamento dell’angolare è stato realizzato considerando incastrati i nodi in corrispondenza del perimetro delle barre filettate fissate alla soletta di calcestruzzo.

La soletta e il prisma sono state modellate come superfici rigide e per evitare compenetrazioni con l' angolare sono state utilizzate adeguate interfacce di contatto. La forza di trazione, infine, è stata applicata in modo progressivo ai nodi di controllo dei link di corpo rigido rappresentanti le barre filettate fissate al prisma mobile. Gli stessi nodi sono stati utilizzati per rilevare lo spostamento utilizzato per realizzare il grafico Forza - Spostamento.

Come si può notare in Figura 3 e nel grafico di Figura 4, la modellazione numerica ha fornito risultati in buon accordo con quelli sperimentali, suggerendo come il modello realizzato sia effettivamente in grado di cogliere gli aspetti più significativi del comportamento dell'elemento sia in termini di rigidezza in campo elastico che in campo non lineare per materiale e geometria. In ragione dell’ottimo accordo tra i risultati, saranno considerati attendibili i risultati ottenibili dalla modellazione numerica di angolari anche con geometria diversa da quella testata (vedi Sezione 5).

4 ANALISI PARAMETRICA

Sono state quindi eseguite numerose simulazioni numeriche variando le proprietà geometriche dell'elemento di collegamento, allo scopo di ottenere dati che consentissero di individuare una relazione di natura empirica tra i parametri geometrici e il comportamento meccanico dell'angolare nel campo dei grandi spostamenti. In particolare, è stato inizialmente fatto variare lo spessore dell'angolare, mantenendo costanti tutte le altre dimensioni.

In Figura 5(a) è riportato il grafico Forza - Spostamento ottenuto numericamente all'aumentare dello spessore. Successivamente, la forza è stata normalizzata rispetto allo spessore dell’angolare al quadrato, da cui dipende almeno a livello teorico il carico che conduce allo snervamento della sezione dello stesso.

Come mostrato in Figura 5(b), la variabilità tra loro delle curve corrispondenti a diversi spessori dell’angolare è molto limitata utilizzando la forza così normalizzata, ed apprezzabile unicamente per valori di spostamento elevati.

SEGUE  in ALLEGATO